碳、硅 无机非金属材料（原卷版）

第五章非金属及其化合物

第22讲碳、硅无机非金属材料

【高考考向预测】

碳、硅及其化合物性质差异鲜明，涵盖单质、氧化物、盐类及玻璃、陶瓷、水泥等无机非金属材

料，重点考查物质结构、理化性质、相互转化与工业用途；近三年为高考常考知识点，多以选择题和

工艺流程题出现，侧重性质辨析与用途匹配，考杳频次平稳：预测2027年命题将聚隹硅单质制备、一

氧化硅特性、新型无机非金属材料应用，结合工业生产与科技前沿情境出题，强化反应方程式书写及

物质性质对比辨析工

【双基自测•明考向】

1」正误判断I

（1）金刚石、石墨、C60都是由碳元素组成的单质（）

（2）水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性脑不活泼（）

（3）二氧化碳能使紫色石蕊溶液变红，说明二氧化碳具有酸性（）

（4）低碳环保中的“碳”是指二氧化碳（）

（5）石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应（）

（6）向CaCL溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO?至过量，浑浊消失（）

（7）向氨化的饱和食盐水中通入足量的CO?气体，会析出晶体（：）

2.碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有许多异常的力学、电学和化

学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。卜.列

关于纳米管说法不正确的是（）

A.纳米管孔径较大，可以掺杂各种金属原子，体现特殊的催化活性

B.碳纳米管拥有极高的熔点

C.纳米管是•种新型有机纳米材料

D.纳米管可以由石墨烯在特定条件下卷曲而成

3.（2025♦齐鲁名校大联考）氧化石墨烯是一种淡柠檬黄色、不稳定的新型化合物，其单层局部结构如

图所示。下列关于该化合物的说法正确的是（）

oO®OH

A.氧化石墨烯的导电性优于石墨烯

B.氧化石墨烯的抗氧化能力比石墨烯弱

C.氧化石墨烯中C—C的键能比C—O大

D.氧化石墨烯中所有C原子均为sp3杂化

4.我国倡导低碳生活，减少二氧化碳的排放，“碳捕捉技术”可实现二氧化碳的分离、储存和利用。

实际生产中，常利用NaOH溶液来“捕捉”CO2,其工艺流程如图所示（部分条件及物质未标出）,

下列说法正确的是（）

IT捕捉拿卜（反♦分舟T高温反应炉卜CU

高的'体，［1Ca。

CO2含量低的气体

A.CO2是引起酸雨的主要物质之一

B.整个过程中，只有CO?可循环利用

C能源消耗低是该技术的一大优点

D.该生产过程中，没有涉及氧化还原反应

【核心梳理•明考点】

考点一碳及其化合物

1.碳族元素

⑴碳、硅、错、锡、铅均属于第NA族元素，又称碳族元素，其价层也子排布式为

（2）碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为。

2.金刚石、石墨、C60的物理性质

金刚石石墨Cfio

晶体类型共价晶体混合型晶体分子晶体

物理性质熔点高，硬度大，不导电熔点高，硬度—导电熔点低，不导电

主要用途钻石制作，切割工具，钻探机做电极、润滑剂、铅笔芯广泛应用于超导、医学领域

的钻头等

3.CO2在自然界中的循环

(1)CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。

(2)自然界消耗C02的主要反应：

①溶于江水、海水中：CO2+H2O=H2co3；

②比合作用将CO2转化为。2；

③岩石的风化：CaCO3+H2O+CO2=.

4.碳酸及碳酸盐

⑴碳酸：二元—酸、不稳定，易分解，酸性比强。

(2)碳酸及碳酸根离子结构：H2cCh中，碳原子的杂化方式为H2c03属于分子晶体。CO1中,

碳原子的杂化方式为一，COg的空间结构为o

⑶碳酸的正盐和酸式盐的比较

正盐(COg)酸式盐(HCO。

溶解性只有钾、钠、钱盐可溶一般都可溶

热稳定性正盐—酸式盐

溶液pH同浓度：正盐—酸式盐

①CU+H,（）；②H+（少H）

相互转化

「01（）HHCO3

考点二硅及其化合物

硅元素仅有—态，主要以氧化物和的形式存在。

1.硅和二氧化硅物理性质

硅单质二氧化硅

物理共价晶体：带有金属光泽的灰黑色固共价晶体：熔点硬度难溶

性质体，熔点硬度有脆性于水

______材料、______电池、______芯

用途光导纤维、光学仪器等

片和耐酸设备等

2.硅酸钠

⑴硅酸盐大多数不溶于水，但硅酸钠是白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称,有

黏性，显碱性。

⑵硅酸钠能与酸性比硅酸强的酸反应，写出水溶液中相应的化学方程式。

与盐酸反应：。

与少量CO2反应：o

(3)用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。

3.硅及其化合物的转化关系

HF'S1F4rHF

①⑤

5©2,高温一C.高温②©CaCO^CaO

S1C1J三寻S1—>SIQ2------C

4,高温02③△高温

NaOHNaOH

---------^Na2SiO3^==-H2SiO3

CO2+HSO

完成图中序号对应的化学方程式：

①;

高温

②—------------;

③;

高温高温

④、;

⑤（可用于刻蚀玻璃

4.硅酸

(1)分子结构：FhSiCh分子中，Si原子的杂化方式为_。但在硅酸盐中，Si和0构成了硅氧四面体

Si在四面体的中心，Si原子的杂化方式为

(2)物理性质：—溶于水。

(3)化学性质

①弱酸性

l)H2SiCh酸性比H2cQ」，—(填“能”或“不能”)使紫色石蕊试液变红。

2)H2SiO3能与NaOH溶液反应(写化学方程式)：=

②不稳定性：H2SiO3=^=0

（4）用途

硅酸在水中易缩合形成胶体，将硅酸凝胶烘干脱水得到硅胶（SiO”，硅胶常用作干燥剂。

回易错辨析

1.晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料（）

2帮金属性：C>Si,则热稳定性：CH4>SiH4（）

3.SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱（NaOH）,不溶于任何酸（）

4502能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃（）

5.石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能（）

6.因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸酸性比碳酸强（）

7.硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”，是一种建筑行业常用的黏合剂（）

8.向NazSiCh溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶（）

【考点突破•明方向】

考向一、硅、二氧化硅及硅酸的制取

1.下列判断或说法正确的是（）

芬•醋酸溶液

Na2SiOA

溶液

NazCO.J囱体

A.如图探究醋酸、碳酸、硅酸酸性的相对强弱

B.二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸

C.2mL5moi的硅酸钠溶液和盐酸反应后制得硅酸胶体，胶粒数为0.01NA（NA为阿伏加德罗常数

的值）

NaOH（aq）CO,

D.实验室制硅酸流程：Si02"NaiSiO.一'HaSiO^

2.纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是（）

廊冠段畔典因稀哈.Rj衿瓯

A.X可用作木材防火剂

B.步骤II的反应是Na2SiO3+H2SO4=H2SiO3I+Na2so4

C.步骤【I中的稀硫酸可用CO?来代替

D.SiO?既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，所以SiO?是两性氧化物

3.（2025•东北师范大学附属中学高三摸底考试）实验室用比还原SiHCb（沸点：31.85℃）制备高纯硅

的装置如图所示（夹持装置和尾气处理装置略去），下列说法正确的是（）

A.装置n、III中依次盛装的是浓H2so4、冰水

B.实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K

C.为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、硫氟化钾溶液

D.该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化核固体反应制备氨

考向二、硅胶多硅酸盐的结构

4.硅胶的结构示意图如图所示，可由原硅酸（ESiCM脱水缩合制得，添加无水CoCb呈蓝色，吸水

后因COC12转化为配合物9。（比0）4。2>2H2。而呈粉红色，下列说法错误的是（）

A.原硅酸分了•中含有多个一OH,因而可脱水制成硅胶

B.硅胶可干燥HF和。2等酸性气体

C失效的硅胶再生时加热的温度不宜过高

D.当硅胶遇到大量的水分子时，水分子与硅羟基会形成过多氢键从而使硅胶失去吸附力

5.形式多样的硅酸盐是无机矿物的重要基石。SiO厂是一种四面体形的离子（属于硅酸根离子），其结

构可用图a表示，硅原子位于该四面体体心，四个氧原子各占一个顶点。图b和图c则是复合硅酸

根离子中的两个实例，均为无支链的单环状，分别由数个硅氧四面体a通过共用氧原子的形式构成。

(l)b的化学式为。

(2)若一个单环状离子中Si原子数为〃(〃23),则其化学式为。

⑶绿柱石是被、铝的此类硅酸复盐，其化学式中含6个硅原子，该复盐的化学式是

考点三无机非金属材料

1.传统无机非金属材料——常见硅酸盐材料

水泥玻璃陶瓷

石英(Si02)、纯碱(Na2co3)、石

主要原料石灰石、黏土、石膏黏土

灰石(CaCCh)

硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸

硅酸钠(NazSi。。、硅酸钙

主要成分二钙QCaOSiO?)、铝酸三钙硅酸盐

(CaSiCh)、二氧化硅(SiCh)

(3CaOAl2O.0

Na2c。3十SiO2=^=Na2SiO3

制备过程中的

复杂的物理及化学变化+82f、CaCO3+SiO2=^=复杂的物理及化学变化

主要反应

CaSiO34-CO2t

抗氧化、抗酸碱腐蚀、

特性水硬性无固定熔点

耐高温、绝缘

高温高温

玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3+SiO2；CaCO3+SiO2-

2.新型无机非金属材料

(1)新型陶瓷，如SiC、BN、Si?—、Ag等。

(2)碳纳米材料

①类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。

②用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。

(3)特殊功能的含硅材料

①碳化硅为共价晶体，具有类似金刚石的结构，可用作磨料。

②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。

,易错辨析

1.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐()

2.碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作（）

3.压电陶瓷能实现机械能与电能妁相互转化（）

4.石墨烯的电阻率低，热导率也低（）

5.冰壶主材料花肉岩属于无机非金属材料（2022♦辽宁，1A）（）

【考点突破•明方向】

考向一、传统无机非金属材料

1.（2025・河北张家口模拟）下列关于博物院馆藏文物的说法正确的是（）

A.春秋龙纹人字形玉佩的主要成分是二氧化硅

B.西汉铜错金银承弓器的主要成分属于无机非金属材料

C.宋海棠花式玛瑙碗的主要成分是碳酸钙

D.明宣德育花缠枝莲纹碗的主要成分是硅酸盐

2.水泥是人类最伟大的发明之一，主要成分为硅酸三钙（3CaO-SiO2）。将其与适量的水反应，形成相

互交联的结构，反应为2（3CaOSiO2）+6H2O=3CaO-2SiO2・3H2O+3Ca（OH）2△〃＜（）,但是，需要避

免交联过程热膨胀及产生的水蒸气在建筑结构中造成空隙，我国三峡大坝的建设者在全世界首创了

以冰代水的浇灌方法，有效解决了这一问题，保证了大坝的建筑质量。下列说法错误的是（）

A.水泥由黏土和石灰石等研磨、帽烧制得

B.水泥生产过程中加入石膏，可以调节水泥的硬化速率

C.水的作用是提供结晶水以稳定交联结构

D.以冰代水的优点是减少了热膨胀及水蒸气的产牛

考向二、新型无机非金属材料

3.（2025・湖南岳阳模拟）化学促进我国航空航天事业不断蓬勃发展。下列有关说法正确的是（）

A.“北斗系统”芯片的主要成分为二氧化硅

B.隐形涂料中的纳米氧化铝材料属于新型有机材料

C.“天和核心舱”推进系统中的腔体采用的氮化硼陶瓷属于新型金属材料

D.火星全球影像彩图显示了火星表土颜色，表土中赤铁矿主要成分为Fe2O3

4.近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述不

正确的是（）

A.氮化硅陶究是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N«

B.杭空航天太阳能电池翼所使月的“碳纤维”（由聚丙烯情经碳化而成）与金刚石互为同位素

C.碳化硅的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承

D.富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于新型无机非金属材料

5.（2026・济南阶段性考试）下列关于材料的说法错误的是（）

A.歼-20上采用的GaN涂层属于新型金属材料

B.“天宫二号”空间站太阳能电池帆板的主要材料为晶体硅

C.手机柔性屏使用的原材料聚酰亚胺属于有机高分子材料

D.用于制造世界最大口径反射镜的SiC属于新型无机非金属材料

【真题再现•明考向】

1.（2024•江西，1）景德镇青花瓷素有“国瓷”的美誉。以黏土为原料，用含钻、铁的颜料着色，上釉后

一次性高温烧制而成的青蓝色彩瓷。下列关于青花瓷说法正确的是（）

A.青蓝色是由于生成了单质钻

B.表面的釉属于有机高分子膜

C主要成分为铝硅酸盐

D.铁元素的存在形式只有Fe2O3

2.（2025•云南，7）稻壳制备纳米Si的流程图如下。下列说法错误的是（）

稻壳厂定条件纳米Sioj鬻目MgO+纳米Si]

-Mg明+[纳米Si]

A.SiO2可与NaOH溶液反应

B.盐酸在该工艺中体现了还原性

C.高纯Si可用于制造硅太阳能电池

650一

D.制备纳米Si：SiO2+2Mg------=Si+2Mg0

3.（2023・湖北，3）工业制备高纯硅的主要过程如下：

_____焦炭-IICIH：

石英砂1800-2000X粗硅300七"SiHCb】侬七1r高纯硅

下列说法错误的是（）

高温

A.制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C-Si+2COt

B.lmolSi含Si—Si的数目约为4X6.02X1023

C.原料气HC1和Hz应充分去除水和氧气

D.生成SiHCls的反应为炳减过程

【限时训练】

（40分钟）

（1〜区题，每小题6分，9〜12题，每小题7分）

1.（2021・湖北，1）“碳中和”有利于全球气候改善。下列有关CO?的说法错误的是（）

ACO?是V形的极性分子

B.CCh可催化还原为甲酸

C.CO2晶体可用于人工增雨

D.COz是侯氏制碱法的原料之一

2.（2022・河北，1）定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是（）

A.传统陶瓷是典型的绝缘材料

B.陶瓷主要成分为SiO2和MgO

C.陶瓷烧制的过程为物理变化

D.tl瓷的白色是因铁含量较高

3.（2025・济南期末）碳化硅（SiC）晶体结构与金刚石相似，且碳原子和硅原子的位置是交替的。下列说法

错误的是（）

A.碳化硅的熔点低于金刚石

B.碳化硅熔化时破坏共价键

C.晶体中所含化学键均为非极性键

D.晶体中所有原子均采取sp'杂化

4.下列有关说法或判断正确的是（）

A.石英用烟耐高温，可用于加热熔化纯碱、烧碱等固体

B.高纯硅制成的太阳能电池可将太阳能转化为电能

C.单品硅芯片的主要成分不会被任何酸腐蚀

D.因为Si的熔点高、硬度大，所以利用Si制作各种芯片

5.我国在航空航天、通信、环保等领域取得了举世瞩目的成就。下列说法正确的是（）

A.富勒烯、石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料均属于新型无机非金属材料

BS3N4俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料

C.“神舟十四号”载人飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐

D.二氧化硅常被用于制造光缆，是由于其导电能力强

6.“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金。”诗句中的“沙”的主要成分是SiO2,下列说法错误的是（）

A.“从沙滩到用户”这句话涉及工业上制备粗硅的工艺

B.“水玻璃”可以由SiCh与NaOH溶液反应制得

C.SiO2是制取传统硅酸盐产品玻璃的原料之一

DSO2属于酸性氧化物，不与任何酸反应

7.陶瓷是以黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）为主要原料，经高温烧结而成。唐三彩是我国古代陶瓷中

的艺术瑰宝，利用X射线衍射实验测得某“唐三彩陶瓷残片”和“现代陶瓷碎片”的釉料中部分成分

及含量数据如下表所示。下列说法错误的是（）

釉料成分

质量分数蕨、SiO2K2OFezChMnOPbO

唐三彩

28.050.3410.8i0.0846.56

陶瓷残片

现代陶

29.740.404.220.0551.42

骁碎片

A.现代陶瓷是一种耐高温、耐腐蚀的金属材料

B.唐三彩烧制过程中发生了复杂的物理和化学变化

C.X射线衍射实验可用于鉴定陶瓷类文物的真伪

D.唐三彩的绚丽色彩与釉料的组成及各组分的含量有关

8.H2sOrSiCh法生产多晶硅的流程如下。下列说法错误的是（）

A.合成1反应中引作氧化剂

B.合成2的反应为SiF4+NaAlH4=SiH4+NaAlF4

C上述流程说明SQ可溶于H2sCU

D.净化、热解中生成的多晶硅为还原产物

9.水玻璃（NazSiOs溶液）广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用

稻壳灰（SiCh：65%〜70%、C：30%〜35%）制取水玻璃的工艺流程：

NaOH溶液

稻T

反

作

操A

壳

应

灰

器

水^--------------------

下列说法正确的是（）

A.原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值

B.操作A与操作B完全相同

C.该流程中硅元素的化合价发生改变

D.反应器中发生的反应为氧化还原反应

1（）.新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构

模型如图所示。

下列有关说法正确的是（）

A.石墨烯是一种新型化合物

B.氧化石墨烯即石墨烯的氧化物

C.二者和石墨都是碳的同素异形体

D.氧化石墨烯具有一定的亲水性

II.在20世纪90年代末，科学家发现碳有新的单质形态C60存在。后来人们又相继得到了CaC76、

Cs4,Coo、Cg等另外一些球碳分子。21世纪初，科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子，大大丰

富了碳元素单质的家族。下列有关碳元素单质的说法错误的是（）

（a）球碳分子（b）管状碳分子

A.金刚石和石墨的熔点肯定比Go高

B.熔点：C6O<C7O<Cgo

C.球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都不能与02发生反应

D.金刚石以非分子形式的粒子存在，属于共价晶体；CMC70、管状碳分子和洋葱状碳分子以分子形式

的粒子存在，属于分子晶体；这些碳单质互为同素异形体

12.氮化硅常用于制造耐高温管、切削工具。某小组以石英砂为原料制备氮化硅的微型流程如图1